JP6630664B2 - Wind turbine control - Google Patents

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Description

[技術分野]
本発明は、風力タービンの分野に関する。
[Technical field]
The invention relates to the field of wind turbines.

[背景技術]
風力タービンは、発電のための確立された手段である。一般的に、風力タービンは、複数のブレードを支持するロータを備える。ロータは、発電機を、直接的にまたはギアボックスを介して駆動するよう構成される。水平軸タービンでは、発電機のハウジング(このハウジングはナセルとも呼ばれる)とロータとはタワーによって支持される。ブレードが風に対向する向かい風タイプ(up-wind type)が最も一般的である。ヨー系が、ロータおよびブレードの向きを風向に対して許容可能制限内に維持する。タービン制御系が、ブレードを傾ける(ピッチする)ことによりロータのスピードおよび出力を制御する。ヨーおよびピッチの動きは、共にギアード電気モータによって動力を供給される。油圧シリンダもまた、ピッチの動きに動力を供給するために一般に用いられる。ナセルの頂部に、風速および風向を測定するための超音波式または機械式の機器が置かれる。大型の風力タービンについては、風の流れがロータ通過領域の全体にわたって一様ではない可能性があり、このためブレードを個別に傾ける能力が一般的である。
[Background Art]
Wind turbines are an established means for power generation. Generally, wind turbines include a rotor that supports a plurality of blades. The rotor is configured to drive the generator directly or via a gearbox. In a horizontal shaft turbine, the generator housing (this housing is also called the nacelle) and the rotor are supported by a tower. The most common type is an up-wind type in which the blade faces the wind. A yaw system maintains the orientation of the rotor and blades within acceptable limits for wind direction. A turbine control system controls the speed and power of the rotor by tilting (pitching) the blades. Both yaw and pitch movements are powered by geared electric motors. Hydraulic cylinders are also commonly used to power pitch movement. On top of the nacelle is placed an ultrasonic or mechanical instrument for measuring wind speed and direction. For large wind turbines, the wind flow may not be uniform throughout the rotor passage area, so the ability to tilt the blades individually is common.

ロータは軸受(通常は転動体軸受であり、低摩擦軸受と呼ばれる場合もある)によって支持される。大型の風力タービンについては、大径スリムプロファイル軸受(large-diameter slim-profile bearing)が用いられる傾向がある。大径スリムプロファイル軸受は、同軸に配置され、互いに近接して離間される。複数の軸受が単一の軸受ユニットに組み合わせられてもよい。その結果は、高い曲げ剛性およびねじり剛性を持つコンパクトな設計である。従来の、より小型の風力タービンの設計と比較すると、大径スリムプロファイル軸受を用いることにより、設計および接合部品の剛性についてより複雑な要求が課される。   The rotor is supported by bearings (usually rolling element bearings, sometimes referred to as low friction bearings). For large wind turbines, large-diameter slim-profile bearings tend to be used. The large diameter slim profile bearings are coaxially disposed and closely spaced from one another. Multiple bearings may be combined into a single bearing unit. The result is a compact design with high bending and torsional stiffness. Compared to traditional smaller wind turbine designs, the use of large diameter slim profile bearings imposes more complex requirements on the design and stiffness of the mating components.

転動体は、軸受レースとの転がり接触を確実にするために、十分な接触力下に維持されることが好ましい。接触力の喪失により、ころが軸受レースに対して滑り始める場合があり、これは有害である。接触力の維持は、軸受の組み立ておよび設置工程の間、軸受の高い予荷重を加えることによって達成される。予荷重により、軸受の静止部分と、転動体と、軸受の回転部分との間の最低限初期接触力が確実になる。また、予荷重により、軸受にロータおよびブレードが取り付けられた後の、軸受内の過剰な局在化された接触力が回避される。軸受の予荷重と、動作からの外力との合力の結果としての、ころとレースとの間の接触力は、軸受の設計制約を提示する。動作中の、スリムプロファイル大径軸受のたわみ(flexing)は、軸受の径の周りに不均一な荷重プロファイルを発生させ得る。さらに、ころおよびレースの摩耗は、時間とともに初期予荷重を減少させる。接触力における、大域的(global)かつ空間的な変動は、軸受レースにおける歪みの変動として測定される。   The rolling elements are preferably maintained under a sufficient contact force in order to ensure rolling contact with the bearing race. The loss of contact force can cause the rollers to begin to slide against the bearing race, which is harmful. The maintenance of the contact force is achieved by applying a high preload of the bearing during the assembly and installation process of the bearing. The preload ensures a minimum initial contact force between the stationary part of the bearing, the rolling elements and the rotating part of the bearing. The preload also avoids excessive localized contact forces in the bearing after the rotor and blades are mounted on the bearing. The contact force between the rollers and the race as a result of the resultant of the preload of the bearing and the external forces from operation presents bearing design constraints. In operation, flexing of a slim profile large diameter bearing can generate a non-uniform load profile around the diameter of the bearing. In addition, roller and race wear reduces the initial preload over time. Global and spatial variations in contact force are measured as strain variations in bearing races.

[概要]
第1の態様によれば、
風力タービンを動的に制御する方法であって、
前記風力タービンは、複数のブレードを支持するロータと、前記ロータを支持する主軸受とを有し、
前記方法は、
前記主軸受の周のまわりの荷重プロファイルを検出することと、
検出された前記荷重プロファイルに基づいて制御信号を生成することと、
前記制御信号を用いて、前記主軸受の前記荷重プロファイルを動的に調節することと
を備える、方法が提供される。
[Overview]
According to a first aspect,
A method for dynamically controlling a wind turbine, comprising:
The wind turbine has a rotor that supports a plurality of blades, and a main bearing that supports the rotor,
The method comprises:
Detecting a load profile around the circumference of the main bearing;
Generating a control signal based on the detected load profile;
Dynamically adjusting the load profile of the main bearing using the control signal.

前記荷重プロファイルを検出することは、前記軸受のまわりの複数箇所において光ファイバセンサによって歪みを検出することを含んでもよい。
前記方法は、さらに、
前記軸受の温度を検出することと、
前記検出された温度と組み合わせた検出された前記荷重プロファイルに応じ、前記荷重を動的に調節することと
を備えてもよい。
Detecting the load profile may include detecting strain at a plurality of locations around the bearing with a fiber optic sensor.
The method further comprises:
Detecting the temperature of the bearing;
Dynamically adjusting the load in response to the detected load profile in combination with the detected temperature.

前記荷重プロファイルを動的に調節することは、検出された前記荷重プロファイルに応じて前記風力タービンの前記ブレードの向きを調節することを含んでもよく、また、任意選択で、前記ブレードの前記向きを調節することは、前記ブレードのピッチ角を調節することまたはヨー系を調節することを含んでもよい。前記予荷重プロファイルを調節することは、前記ロータによって加えられる力に加えて、前記軸受に力を加えることを含んでもよい。   Dynamically adjusting the load profile may include adjusting an orientation of the blades of the wind turbine in response to the detected load profile, and optionally, adjusting the orientation of the blades. Adjusting may include adjusting a pitch angle of the blade or adjusting a yaw system. Adjusting the preload profile may include applying a force to the bearing in addition to the force applied by the rotor.

前記方法は、前記軸受の検出された前記荷重プロファイルを、前記軸受の状況を監視するためにメモリに記憶することをさらに備えてもよく、また、任意選択で、検出された前記荷重プロファイルを用いて前記風力タービンの状況を監視することを備えてもよい。   The method may further comprise storing the detected load profile of the bearing in a memory for monitoring the condition of the bearing, and optionally using the detected load profile. Monitoring the status of the wind turbine.

前記主軸受の前記荷重プロファイルを動的に調節する前記ステップは、検出された前記荷重プロファイルを入力として用いる閉ループ制御プロセスを伴ってもよい。   The step of dynamically adjusting the load profile of the main bearing may involve a closed-loop control process using the detected load profile as an input.

第2の態様によれば、
風力タービンを制御するためのアクティブ制御アセンブリであって、
前記風力タービンは、複数のブレードを支持するロータと、前記ロータをハウジングに回転可能に結合する主軸受とを有し、
前記アクティブ制御アセンブリは、
前記主軸受の荷重プロファイルを検出するよう構成される検出器と、
前記主軸受の、検出された前記荷重プロファイルに応じて前記ブレードの必要な調節を決定するよう構成され、かつ、制御信号を生成するよう構成される、プロセッサと、
前記制御信号を受け取るためのアクチュエーション機構であって、前記制御信号に依存して前記荷重プロファイルを調節するよう構成される、アクチュエーション機構と
を備える、アクティブ制御アセンブリが提供される。
According to a second aspect,
An active control assembly for controlling a wind turbine, comprising:
The wind turbine has a rotor that supports a plurality of blades, and a main bearing that rotatably couples the rotor to a housing.
The active control assembly includes:
A detector configured to detect a load profile of the main bearing;
A processor configured to determine a required adjustment of the blade in response to the detected load profile of the main bearing, and configured to generate a control signal;
An actuation mechanism for receiving the control signal, wherein the actuation mechanism is configured to adjust the load profile in response to the control signal is provided.

前記アクティブ制御アセンブリは、前記主軸受の温度プロファイルを検出するよう構成される温度センサをさらに備えてもよい。前記検出器は光ファイバセンサを備えてもよい。前記光ファイバセンサはブラッググレーティングを備えてもよい。前記光ファイバセンサは、実質的に125μmの外径を有してもよい。前記光ファイバセンサは、前記主軸受の静止レースに埋め込まれてもよい。前記アクチュエーション機構は、前記ブレードのピッチ角を調節するよう構成されてもよい。   The active control assembly may further include a temperature sensor configured to detect a temperature profile of the main bearing. The detector may include a fiber optic sensor. The optical fiber sensor may include a Bragg grating. The fiber optic sensor may have an outer diameter of substantially 125 μm. The fiber optic sensor may be embedded in a stationary race of the main bearing. The actuation mechanism may be configured to adjust a pitch angle of the blade.

前記アクチュエーション機構は、前記ロータによって加えられる力に加えて、前記主軸受に力を加えるよう構成される少なくとも1つのピストンを備えてもよい。前記主軸受はスリムプロファイル大径転動体軸受であってもよい。   The actuation mechanism may include at least one piston configured to apply a force to the main bearing in addition to a force applied by the rotor. The main bearing may be a slim profile large diameter rolling element bearing.

第3の態様によれば、上述のアクティブ制御アセンブリを備える風力タービンが提供される。   According to a third aspect, there is provided a wind turbine comprising an active control assembly as described above.

第4の態様によれば、
風力タービンの主軸受の、検出された荷重プロファイルを受け取るための受信機と、
前記荷重プロファイルを調節するための制御信号を決定するためのプロセッサと、
前記主軸受の前記荷重プロファイルを動的に調節するための命令を送る送信機と、
を備える、コンピュータ装置が提供される。
According to a fourth aspect,
A receiver for receiving the detected load profile of the main bearing of the wind turbine;
A processor for determining a control signal for adjusting the load profile;
A transmitter for sending commands to dynamically adjust the load profile of the main bearing;
A computing device is provided, comprising:

第5の態様によれば、
過渡的でないコンピュータ可読符号を含むコンピュータプログラムであって、前記コンピュータ可読符号は、コンピュータ装置上で実行される時に、前記コンピュータ装置を上述のコンピュータ装置として動作させる、コンピュータ可読符号を含むコンピュータプログラムが提供される。
According to a fifth aspect,
A computer program comprising a non-transitory computer readable code, wherein the computer readable code, when executed on a computer device, causes the computer device to operate as the computer device described above. Is done.

第6の態様によれば、過渡的でないコンピュータ可読媒体と、上述のコンピュータプログラムとを備えるコンピュータプログラム製品であって、前記コンピュータプログラムは前記過渡的でないコンピュータ可読媒体に記憶される、コンピュータプログラム製品が提供される。   According to a sixth aspect, there is provided a computer program product comprising a non-transitory computer readable medium and a computer program as described above, wherein the computer program is stored on the non-transient computer readable medium. Provided.

風力タービンの鉛直断面を概略的に示す図である。It is a figure which shows the vertical cross section of a wind turbine schematically. 軸受の鉛直断面を概略的に示す図である。It is a figure which shows the vertical cross section of a bearing schematically. 軸受における予荷重プロファイルを制御するための例示的ステップを示すフロー図である。FIG. 4 is a flow diagram illustrating exemplary steps for controlling a preload profile in a bearing. 例示的なコンピュータ装置を概略的に示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram schematically illustrating an exemplary computing device.

[詳細な説明]
一般的に、風力タービンは、複数のブレードを支持するロータを備える。ロータは、発電機を、直接的にまたはギアボックスを介して駆動するよう構成される。静止したタワーが、ブレードと、ロータと、発電機と、動力伝達経路とのアセンブリを支持する。ブレードによって定義される平面が風向に垂直となるように、ブレードが風向に対向するのが好ましい。静止したタワーに対するロータおよびブレードの向きは、ヨー機構によって制御される。タービン制御系は、ブレードを傾ける(ピッチする)ことにより、ロータスピードを制御する。
[Detailed description]
Generally, wind turbines include a rotor that supports a plurality of blades. The rotor is configured to drive the generator directly or via a gearbox. A stationary tower supports the blade, rotor, generator, and powertrain assembly. Preferably, the blades oppose the wind direction such that the plane defined by the blades is perpendicular to the wind direction. The orientation of the rotor and blades relative to the stationary tower is controlled by a yaw mechanism. The turbine control system controls the rotor speed by tilting (pitching) the blade.

ロータは軸受によって支持される。大型の風力タービンについては、大径スリムプロファイル軸受が用いられ得る。軸受の予荷重は、軸受の製造過程において設定可能である。予荷重により、軸受の静止部分と、転動体と、軸受の回転部分との間の接触力の喪失が回避される。また、予荷重により、ロータおよびブレードが軸受に取り付けられた後の軸受内の過剰な局在化された接触力が回避される。軸受の荷重プロファイルは、軸受の周のまわりにおける軸受の荷重プロファイルを測定することによって、その後、検出された荷重プロファイルに基づいて制御信号を生成することによって、および、当該制御信号を用いて軸受の荷重プロファイルを動的に調節することによって、動的に制御可能である。   The rotor is supported by bearings. For large wind turbines, large diameter slim profile bearings may be used. The preload of the bearing can be set during the manufacturing process of the bearing. The preload prevents a loss of contact force between the stationary part of the bearing, the rolling elements and the rotating part of the bearing. The preload also avoids excessive localized contact forces in the bearing after the rotor and blade have been mounted on the bearing. The load profile of the bearing is determined by measuring the load profile of the bearing around the circumference of the bearing, then generating a control signal based on the detected load profile, and using the control signal to control the bearing. By dynamically adjusting the load profile, it can be dynamically controlled.

測定は、軸受の静止部分に埋め込まれた(または他の態様で軸受の静止部分に固定された)光ファイバによって、収集され得る。ファイバは軸受の全体を取り囲むことが好ましい。ころ軸受の歪み測定は、Lars Hoffmann他による「Monitoring Roller Bearings with Fiber Optic Sensors」(Technisches Messen 74 (2007) 4、204〜210ページ)に記載される。光ファイバは、1つ以上のブラッググレーティングを備えてもよい。光がファイバを通って伝搬すると、一部の波長はブラッググレーティングにより反射され、他の波長は透過する。ファイバの一領域に歪みが加えられると、歪みが加えられた領域において屈折率が変化し、この変化は反射光および透過光の波長のシフトによって検出可能である。軸受の周のまわりの複数の位置で軸受の歪みが測定可能となるように、一本の光ファイバ内で複数のブラッググレーティングが用いられてもよい。複数の歪み測定値を用いて、荷重プロファイルを推定することができる。測定値のセットを増加させるために、複数のファイバを用いてもよい。   The measurement may be collected by an optical fiber embedded in (or otherwise fixed to) the stationary part of the bearing. The fiber preferably surrounds the entire bearing. Roller bearing strain measurements are described by Lars Hoffmann et al in "Monitoring Roller Bearings with Fiber Optic Sensors" (Technisches Messen 74 (2007) 4, pages 204-210). The optical fiber may include one or more Bragg gratings. As light propagates through the fiber, some wavelengths are reflected by the Bragg grating and others are transmitted. When strain is applied to one region of the fiber, the refractive index changes in the strained region, and this change is detectable by a shift in the wavelength of the reflected and transmitted light. Multiple Bragg gratings may be used in a single optical fiber so that bearing strain can be measured at multiple locations around the circumference of the bearing. The load profile can be estimated using the plurality of strain measurements. Multiple fibers may be used to increase the set of measurements.

代替的に、荷重プロファイルを決定するために、光ファイバ以外の従来の歪み測定器を用いてもよい。   Alternatively, conventional strain gauges other than optical fiber may be used to determine the load profile.

ファイバの光学特性はファイバの温度に依存するので、ファイバブラッググレーティングセンサは温度にも鋭敏である。歪みを複数の位置において測定することに加えて、ファイバブラッググレーティングにより複数の位置において軸受の温度を決定してもよい。軸受の周のまわりの歪みおよび温度は互いに依存する。たとえば、動作中にアウターレースにおける温度上昇がインナーレースにおける温度上昇よりも大きいと、アウターレースの熱膨張がより大きくなり、これに起因して予荷重を減少させることになる。大きな温度勾配は、軸受の材料の変形をもたらす場合がある(これは軸受の荷重プロファイルの変化につながる)。温度を決定するために光ファイバを用いることに代えて、温度を決定するために他の温度測定器を用いてもよい。   Fiber Bragg grating sensors are also temperature sensitive because the optical properties of the fiber depend on the temperature of the fiber. In addition to measuring strain at multiple locations, a fiber Bragg grating may determine the temperature of the bearing at multiple locations. The strain and temperature around the circumference of the bearing are dependent on each other. For example, if the temperature increase in the outer race during operation is greater than the temperature increase in the inner race, the thermal expansion of the outer race will be greater, thereby reducing the preload. Large temperature gradients can lead to deformation of the bearing material (which leads to a change in the load profile of the bearing). Instead of using an optical fiber to determine the temperature, another temperature measuring device may be used to determine the temperature.

各ブレードのピッチ角は、軸受の周のまわりの測定された荷重プロファイルに依存して調節可能である。ブレードのピッチ角の変化は、ブレードからロータへの荷重を変化させ、これによって軸受の荷重プロファイルを変化させる。ブレードのピッチ角に加え、ヨー角もまた調節可能である。ブレードに対して行われる調節の結果として、軸受内の荷重プロファイルが変化する。   The pitch angle of each blade is adjustable depending on the measured load profile around the circumference of the bearing. Changing the pitch angle of the blade changes the load from the blade to the rotor, thereby changing the load profile of the bearing. In addition to the pitch angle of the blade, the yaw angle is also adjustable. As a result of the adjustments made to the blade, the load profile in the bearing changes.

測定された荷重プロファイルに依存して軸受の荷重プロファイルを直接的に調節可能となるように、軸受内にまたは軸受に隣接して、アクチュエータが設けられてもよい。たとえば、1つ以上の油圧ピストンが、軸受の周のまわりに均一な圧力を加えてもよいし、軸受の特定の領域に局所的な圧力を加えてもよい。これらの、荷重プロファイルを調節するための直接的なアクチュエータは、ブレードのピッチ角またはヨー角を調節することにより提供される間接的制御に加えて、またはこれに代えて、用いられてもよい。   An actuator may be provided in or adjacent to the bearing so that the load profile of the bearing can be directly adjusted depending on the measured load profile. For example, one or more hydraulic pistons may apply a uniform pressure around the circumference of the bearing or may apply a localized pressure to a particular area of the bearing. These direct actuators for adjusting the load profile may be used in addition to or instead of the indirect control provided by adjusting the pitch or yaw angle of the blade.

閉ループ制御プロセスを用いてもよい(これによる処理の目的は、軸受の周のまわりで特定の荷重プロファイルを保持することである)。閉ループ制御アルゴリズムへの入力は、軸受の推定荷重プロファイルである。閉ループ制御アルゴリズムの出力は制御信号であり、これはブレードのピッチ角を調節するためにタービンのスピードおよび出力制御関数と組み合わせられてもよく、または直接的なアクチュエータに送られてもよい。   A closed loop control process may be used (the purpose of this treatment is to maintain a specific load profile around the circumference of the bearing). The input to the closed loop control algorithm is the estimated load profile of the bearing. The output of the closed loop control algorithm is a control signal, which may be combined with the speed and power control functions of the turbine to adjust the pitch angle of the blade, or sent to a direct actuator.

大型の軸受では、軸受の周のまわりにおける荷重の変化が小型の軸受に比べて大きくなるので、軸受の荷重プロファイルの動的制御は、大型の軸受(大径スリムプロファイル軸受等)において特に重要である。   In large bearings, the change in load around the circumference of the bearing is greater than in small bearings, so dynamic control of the load profile of the bearing is especially important for large bearings (such as large diameter slim profile bearings) is there.

温度測定値が閉ループ制御プロセスの追加の入力となってもよい。制御プロセスは、軸受の周に沿って不均一な温度を補償してもよい(または少なくとも軸受のオーバーヒートを回避するために)。軸受の荷重プロファイルと、軸受の温度とは、一般的には互いに独立ではなく、制御プロセスは、安定な制御プロセスを確実にするために、依存関係を考慮する。   Temperature measurements may be an additional input to the closed loop control process. The control process may compensate for uneven temperature along the circumference of the bearing (or at least to avoid overheating of the bearing). The load profile of the bearing and the temperature of the bearing are generally not independent of each other, and the control process takes into account the dependencies to ensure a stable control process.

荷重プロファイルの測定はまた、長期的状況の監視や障害発生の検出を可能にする。軸受のベースラインの振る舞いに対する変化を用いて、自動的にオペレータに通知したり警報を発信することができる。さらに、長期的状況やベースラインの振る舞いからの偏位に基づいて制御パラメータを設定してもよい(別の制御戦略や動作モードの形態で制御系における自動的適応をトリガしつつ)。たとえば、光ファイバセンサが軸受における障害の発生を検出してもよく、その場合には、障害の進行度を抑制し、これにより動作可能性を向上させるために、かつ、軸受の完全な障害または風力タービンの他の部分への損害の可能性を低下させるために、本制御方法は自動的にタービンの定格を低下(de-rate)させてもよい。   Measuring the load profile also allows for long-term situation monitoring and fault detection. Changes to the behavior of the bearing baseline can be used to automatically notify and alert the operator. In addition, control parameters may be set based on long-term conditions or deviations from baseline behavior (while triggering automatic adaptation in the control system in the form of another control strategy or operating mode). For example, a fiber optic sensor may detect the occurrence of a fault in the bearing, in which case, to limit the progress of the fault, thereby improving operability, and complete failure of the bearing or In order to reduce the potential for damage to other parts of the wind turbine, the control method may automatically de-rate the turbine.

風力タービン内にローカルに制御系が設けられてもよいし、制御パラメータおよび軸受の状況のリモート監視が提供されてもよい。   A control system may be provided locally in the wind turbine, and remote monitoring of control parameters and bearing status may be provided.

図1は、風力タービンの鉛直断面を概略的に示す。タワー(1)がブレード(2)および主フレーム(3)を含むアセンブリを支持する。ブレード(2)は、主軸受(5)によって支持されるハブ(4)から径方向外側に延びる。軸受は大径ころ軸受である。主軸受(5)は、同軸に配列された2つの別個の軸受として構成されてもよいし、主軸受は2つの軸受が組み合わされた単一のユニットとして設けられてもよい。軸受の静止部分は主フレーム(3)に取り付けられ、軸受の回転部分はハブおよびブレードに取り付けられる。ハブの回転軸は軸受の軸と一致し、図1では線6によって示される。ブレードのそれぞれについて、ブレードのピッチを調節するためにピッチアクチュエータ(7)が設けられる。タワーに対する主フレームの向きは、ヨー機構(8)によって制御される。   FIG. 1 schematically shows a vertical section of a wind turbine. A tower (1) supports an assembly including a blade (2) and a main frame (3). The blade (2) extends radially outward from a hub (4) supported by a main bearing (5). The bearing is a large diameter roller bearing. The main bearing (5) may be configured as two separate bearings arranged coaxially, or the main bearing may be provided as a single unit in which the two bearings are combined. The stationary part of the bearing is mounted on the main frame (3) and the rotating part of the bearing is mounted on the hub and blades. The axis of rotation of the hub coincides with the axis of the bearing and is indicated in FIG. For each of the blades, a pitch actuator (7) is provided to adjust the pitch of the blade. The orientation of the main frame with respect to the tower is controlled by a yaw mechanism (8).

荷重プロファイルは、歪み測定器によって、軸受(5)の周に沿って測定される。歪み測定器は、図1には示されないが図2に示される。歪みセンサの出力は、図1に線9として図示され、この出力はファイバブラッググレーティング質問機または信号増幅器(10)に供給される。歪み測定値の組み合わせが荷重プロファイルを形成する。質問機または増幅器(10)の出力はタービン制御装置(11)に結合される。この出力は、データストレージおよび状況監視装置(12)にも結合することができる。データストレージおよび状況監視装置は、歪み測定値を用いて、風力タービンの長期的状況を監視するよう構成される。データストレージおよび状況監視装置(12)はまた、タービン制御装置(11)からデータを収集してもよい。タービン制御装置は、荷重プロファイルに依存する制御信号を生成する。制御信号はピッチアクチュエータ系(7)に送られる。制御信号を搬送するケーブルは、タービン制御装置とピッチドライブ(pitch drive)との間に、回転可能なまたは無線の接続(13)を介して接続される。ロータの回転の過程でケーブルが絡まないように、たとえば、回転可能な接続としてスリップリングまたはスイベル構成を用いてもよい。直接アクチュエーション装置は、軸受に直接的に力を加えるアクチュエータ(15)に油圧出力または電力を供給するモジュール(14)からなってもよい。荷重プロファイルを、タービン制御装置(11)内で実装される閉ループ系制御プロセス内で所望のプロファイルセットに向かって導くために、タービン制御装置によってピッチアクチュエータ系および直接アクチュエータが使用される。   The load profile is measured by a strain gauge along the circumference of the bearing (5). The strain gauge is not shown in FIG. 1 but is shown in FIG. The output of the strain sensor is shown in FIG. 1 as line 9 and this output is provided to a fiber Bragg grating interrogator or signal amplifier (10). The combination of the strain measurements forms the load profile. The output of the interrogator or amplifier (10) is coupled to a turbine controller (11). This output can also be coupled to a data storage and status monitor (12). The data storage and condition monitoring device is configured to monitor the long term condition of the wind turbine using the strain measurements. The data storage and condition monitor (12) may also collect data from the turbine controller (11). The turbine controller generates a control signal that depends on the load profile. The control signal is sent to the pitch actuator system (7). A cable carrying control signals is connected between the turbine controller and the pitch drive via a rotatable or wireless connection (13). To prevent the cables from becoming tangled during the rotation of the rotor, for example, a slip ring or swivel arrangement may be used as a rotatable connection. The direct actuation device may consist of a module (14) that supplies hydraulic output or power to an actuator (15) that applies a force directly to the bearing. A pitch actuator system and direct actuators are used by the turbine controller to direct the load profile towards a desired set of profiles in a closed loop system control process implemented within the turbine controller (11).

例として、大径軸受の荷重プロファイルは、軸受の周に沿って均等に分布する約15〜20箇所における荷重を光ファイバで測定することによって推定可能である。2本の光ファイバを用いる時には、測定箇所はより多数であってもよい(たとえば30)。測定箇所間の荷重は、データを内挿することによって推定可能である(隣接する2箇所の測定荷重の平均値を取る等)。このようにして、特定の時刻における、軸受に沿った各位置の荷重の連続的なプロファイルが推定される。この荷重プロファイルは、荷重における小さな不均衡でも検出可能となるように、ソフトウェアによって解釈されてもよく、オペレータによる解釈のために視覚的に表現されてもよい。このようにして、軸受の周に沿って連続的な荷重プロファイルが推定される。   As an example, the load profile of a large diameter bearing can be estimated by measuring, with an optical fiber, the load at about 15-20 locations evenly distributed around the circumference of the bearing. When two optical fibers are used, the number of measurement points may be larger (for example, 30). The load between the measurement points can be estimated by interpolating the data (such as taking an average value of the measurement loads at two adjacent points). In this way, a continuous profile of the load at each position along the bearing at a particular time is estimated. This load profile may be interpreted by software so that even small imbalances in the load may be detected, and may be represented visually for interpretation by an operator. In this way, a continuous load profile is estimated along the circumference of the bearing.

図2は、歪み測定器を伴う軸受と、アクチュエータとを通る鉛直断面を概略的に示す。軸受はインナーレース(16)を有し、インナーレース(16)は図1に示す風力タービンに用いられる時には静止部分となる。軸受は、回転部分であるアウターレース(17)を有する。アウターレースは転動体(18)を介してインナーレースにより回転可能に支持される。鉛直平面において、軸受の軸に対向するアウターレース(17)の内側は、概してV字形状を有する。この例では、いわゆる「O」構成の2つのころ軸受が、単一の軸受ユニット内に組み合わされる。転動体(18)の組が2つ、アウターレースのV字形状のテーパ部分の各側に係合する。2つの歪みセンサが図示される(複数のブラッググレーティングセンサを持つ光ファイバ(19))。光ファイバは、レースの歪みがファイバに伝達され得るように、またブラッググレーティングによって検出可能となるように、軸受レース内の溝内に配置され、レースの材料に取り付けられる。代替的に、軸受のインナーレースに沿って複数の歪み測定器(20)が等間隔に配置されてもよい。図2では光ファイバ(19)と歪み測定器(20)との双方を示すが、特定の実施形態では、これら2つの測定システムのうち1つのみを用いてもよい。インナーレース(16)は、ギャップ(23)によって分離される2つの部分(21、22)を備える。これら2つの部分は、それぞれ、2組の転動体(18)のうち1組と係合する。インナーレースの2つの部分は、共同してV字形状を形成し、これは概してアウターレースのV字形状と対応する。2つの部分は、図2に矢印「F」で示す力によって互いに押し付けられてもよい。この力は、軸受の荷重プロファイルを調節するために利用可能である。この力は、ブロック(24)によって加えられる。ブロック(24)は、ブロック(24)の背後の空間(25)内の油圧圧力によって駆動される。ブロックは、軸受の回転軸と平行な、図2では矢印Fによって示す方向に移動可能である。このようにして、ブロックと空間(25)とがピストンを形成する。軸受の周全体のまわりに単一の環状ピストンを設けてもよいし、軸受の周のまわりに複数のピストンを設けてもよい。ピストンは、推定荷重プロファイルに依存して荷重プロファイルを調節するために用いられる。   FIG. 2 schematically shows a vertical section through a bearing with a strain gauge and an actuator. The bearing has an inner race (16), which is a stationary part when used in the wind turbine shown in FIG. The bearing has an outer race (17) which is a rotating part. The outer race is rotatably supported by the inner race via the rolling elements (18). In a vertical plane, the inside of the outer race (17) facing the axis of the bearing has a generally V-shaped shape. In this example, two roller bearings in a so-called "O" configuration are combined in a single bearing unit. Two sets of rolling elements (18) engage each side of the V-shaped tapered portion of the outer race. Two strain sensors are shown (optical fiber (19) with multiple Bragg grating sensors). The optical fiber is placed in a groove in the bearing race and attached to the race material so that the strain of the race can be transmitted to the fiber and made detectable by the Bragg grating. Alternatively, a plurality of strain gauges (20) may be equally spaced along the inner race of the bearing. Although FIG. 2 shows both an optical fiber (19) and a strain gauge (20), in certain embodiments, only one of these two measurement systems may be used. The inner race (16) comprises two parts (21, 22) separated by a gap (23). Each of these two parts engages one of the two sets of rolling elements (18). The two parts of the inner lace together form a V-shape, which generally corresponds to the V-shape of the outer lace. The two parts may be pressed together by a force indicated by arrow "F" in FIG. This force can be used to adjust the load profile of the bearing. This force is exerted by the block (24). The block (24) is driven by hydraulic pressure in a space (25) behind the block (24). The block is movable in a direction parallel to the axis of rotation of the bearing, indicated by arrow F in FIG. In this way, the block and the space (25) form a piston. A single annular piston may be provided around the entire circumference of the bearing, or multiple pistons may be provided around the circumference of the bearing. The piston is used to adjust the load profile depending on the estimated load profile.

図3は、軸受における荷重プロファイルをアクティブに制御するための例示的なステップを示すフロー図である。以下の番号は、図3のものに対応する。   FIG. 3 is a flow diagram illustrating exemplary steps for actively controlling a load profile on a bearing. The following numbers correspond to those in FIG.

S1.光ファイバセンサが、軸受の周のまわりの複数の位置において、軸受内の荷重プロファイルを測定する。
S2.測定された荷重プロファイルは制御アルゴリズムに入力として送られ、制御アルゴリズムは入力に依存して制御信号を生成する。
S3.荷重プロファイルを調節するために、制御アルゴリズムがアクチュエータに信号を送る。
S1.ブレードが調節されている間、制御プロセスは荷重プロファイルを連続的に監視し、これによってステップS1に戻る。
S1. Fiber optic sensors measure the load profile within the bearing at a plurality of locations around the circumference of the bearing.
S2. The measured load profile is sent as an input to a control algorithm, which generates a control signal depending on the input.
S3. A control algorithm sends a signal to the actuator to adjust the load profile.
S1. While the blade is being adjusted, the control process continuously monitors the load profile, thereby returning to step S1.

図4は、軸受内で荷重プロファイルを制御するために構成されるコンピュータ装置(26)を、ブロック図で概略的に示す。コンピュータ装置には、プロセッサ(27)と、ブレードピッチが調節を要するか否かを決定するために、光ファイバセンサから信号を受け取るための受信機(28)とが設けられる。受け取った測定値に基づき、プロセッサは、荷重プロファイルを補正するためにピッチをどのように調節するかを決定する。ブレードピッチを制御するアクチュエータに信号を送るために、送信機(29)が設けられる。   FIG. 4 schematically shows, in a block diagram, a computer device (26) configured for controlling a load profile in a bearing. The computing device is provided with a processor (27) and a receiver (28) for receiving a signal from a fiber optic sensor to determine whether the blade pitch requires adjustment. Based on the received measurements, the processor determines how to adjust the pitch to correct the load profile. A transmitter (29) is provided to send a signal to an actuator that controls the blade pitch.

データを記憶するために使用可能なメモリ(30)の形式の、過渡的でない(non-transitory)コンピュータ可読媒体が設けられてもよい。これはまた、コンピュータプログラム(31)(プロセッサにより実行されると、コンピュータ装置を上述のように動作させるもの)を記憶するために使用されてもよい。   A non-transitory computer readable medium in the form of a memory (30) usable for storing data may be provided. It may also be used to store a computer program (31) that, when executed by the processor, causes the computer device to operate as described above.

当業者は、本開示の範囲から逸脱することなく、上述の各実施形態に様々な変更を加えることができるということを理解する。様々な実施形態が上述されたが、当業者は、検出された荷重プロファイルに応じて軸受の荷重プロファイルを調節するための他の選択肢を容易に考案することができる。   Those skilled in the art will appreciate that various changes can be made to the embodiments described above without departing from the scope of the present disclosure. While various embodiments have been described above, those skilled in the art can readily devise other options for adjusting the load profile of the bearing in response to the detected load profile.

Claims (21)

風力タービンを動的に制御する方法であって、
前記風力タービンは、複数のブレードを支持するロータと、前記ロータを支持する主軸受とを有し、
前記方法は、
前記主軸受の周のまわりの荷重プロファイルを検出することと、
検出された前記荷重プロファイルに基づいて制御信号を生成することと、
前記制御信号を用いて、前記主軸受の前記荷重プロファイルを動的に調節することを備え、
前記荷重プロファイルを検出することは、前記主軸受のまわりの複数箇所において歪みを検出すること、及び前記主軸受のまわりの連続的な荷重プロファイルを推定することを含み、
前記主軸受の前記荷重プロファイルを動的に調節することは、前記ロータによって加えられる力に加えて、少なくとも1つのピストンを用いて、前記主軸受に力を加えることを含む方法。
A method for dynamically controlling a wind turbine, comprising:
The wind turbine has a rotor that supports a plurality of blades, and a main bearing that supports the rotor,
The method comprises:
Detecting a load profile around the circumference of the main bearing;
Generating a control signal based on the detected load profile;
Using the control signal to dynamically adjust the load profile of the main bearing,
Detecting the load profile, seen including detecting a distortion at a plurality of locations around said main bearing, and estimating the continuous load profile around the main bearing,
It is, in addition to the force exerted by said rotor, using a at least one piston, including methods that apply force to the main bearing to adjust dynamically the load profile of the main bearing.
前記歪みは、前記主軸受のまわりの前記複数箇所において光ファイバセンサによって検出されることを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the distortion comprises being detected by a fiber optic sensor at the plurality of locations around the main bearing. 前記方法は、さらに、
前記主軸受の温度を検出することと、
前記検出された温度と組み合わせた検出された前記荷重プロファイルに応じ、荷重を動的に調節することと
を備える、請求項1または2に記載の方法。
The method further comprises:
Detecting the temperature of the main bearing;
3. The method of claim 1 or 2, comprising dynamically adjusting a load in response to the detected load profile in combination with the detected temperature.
前記荷重プロファイルを動的に調節することは、検出された前記荷重プロファイルに応じて前記風力タービンの前記ブレードの向きを調節することを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。   The method of claim 1, wherein dynamically adjusting the load profile comprises adjusting an orientation of the blades of the wind turbine in response to the detected load profile. . 前記ブレードの前記向きを調節することは、前記ブレードのピッチ角を調節することを含む、請求項4に記載の方法。   5. The method of claim 4, wherein adjusting the orientation of the blade comprises adjusting a pitch angle of the blade. 前記ブレードを調節することは、ヨー系を調節することを含む、請求項4に記載の方法。   5. The method of claim 4, wherein adjusting the blade comprises adjusting a yaw system. 前記荷重プロファイルを調節することは、前記ロータによって加えられる力に加えて、前記主軸受に力を加えることを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。   The method of any of claims 1 to 3, wherein adjusting the load profile comprises applying a force to the main bearing in addition to a force applied by the rotor. 前記主軸受の検出された前記荷重プロファイルを、前記主軸受の状況を監視するためにメモリに記憶することをさらに備える、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。   The method according to any of the preceding claims, further comprising storing the detected load profile of the main bearing in a memory for monitoring the condition of the main bearing. 検出された前記荷重プロファイルを用いて前記風力タービンの状況を監視することをさらに備える、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。   The method according to any of the preceding claims, further comprising monitoring the status of the wind turbine using the detected load profile. 前記主軸受の前記荷重プロファイルを動的に調節することは、検出された前記荷重プロファイルを入力として用いる閉ループ制御プロセスを伴う、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。   10. The method according to any one of the preceding claims, wherein dynamically adjusting the load profile of the main bearing involves a closed loop control process using the detected load profile as an input. 風力タービンを制御するためのアクティブ制御アセンブリであって、
前記風力タービンは、複数のブレードを支持するロータと、前記ロータをハウジングに回転可能に結合する主軸受とを有し、
前記アクティブ制御アセンブリは、
前記主軸受の荷重プロファイルを検出するよう構成される検出器と、
前記主軸受の、検出された前記荷重プロファイルに応じて前記ブレードの必要な調節を決定するよう構成され、かつ、制御信号を生成するよう構成される、プロセッサと、
前記制御信号を受け取るためのアクチュエーション機構であって、前記制御信号に依存して前記荷重プロファイルを調節するよう構成される、アクチュエーション機構とを備え、
前記荷重プロファイルを検出することは、前記主軸受のまわりの複数箇所において歪みを検出すること、及び前記主軸受のまわりの連続的な荷重プロファイルを推定することを含み、
前記アクチュエーション機構は、前記ロータによって加えられる力に加えて、前記主軸受に力を加えるよう構成される少なくとも1つのピストンを備える、アクティブ制御アセンブリ。
An active control assembly for controlling a wind turbine, comprising:
The wind turbine has a rotor that supports a plurality of blades, and a main bearing that rotatably couples the rotor to a housing.
The active control assembly includes:
A detector configured to detect a load profile of the main bearing;
A processor configured to determine a required adjustment of the blade in response to the detected load profile of the main bearing, and configured to generate a control signal;
An actuation mechanism for receiving the control signal, wherein the actuation mechanism is configured to adjust the load profile in dependence on the control signal;
Detecting the load profile, seen including detecting a distortion at a plurality of locations around said main bearing, and estimating the continuous load profile around the main bearing,
An active control assembly , wherein the actuation mechanism comprises at least one piston configured to apply a force to the main bearing in addition to a force applied by the rotor .
前記主軸受の温度プロファイルを検出するよう構成される温度センサをさらに備える、請求項11に記載のアクティブ制御アセンブリ。   The active control assembly according to claim 11, further comprising a temperature sensor configured to detect a temperature profile of the main bearing. 前記検出器は光ファイバセンサを備える、請求項11または12に記載のアクティブ制御アセンブリ。   The active control assembly according to claim 11 or 12, wherein the detector comprises a fiber optic sensor. 前記光ファイバセンサはブラッググレーティングを備える、請求項13に記載のアクティブ制御アセンブリ。   14. The active control assembly according to claim 13, wherein said fiber optic sensor comprises a Bragg grating. 前記光ファイバセンサは、実質的に125μmの外径を有する、請求項13または14に記載のアクティブ制御アセンブリ。   The active control assembly according to claim 13 or 14, wherein the fiber optic sensor has an outer diameter of substantially 125 μm. 前記光ファイバセンサは、前記主軸受の静止レースに埋め込まれる、請求項13〜15のいずれか一項に記載のアクティブ制御アセンブリ。   The active control assembly according to any one of claims 13 to 15, wherein the fiber optic sensor is embedded in a stationary race of the main bearing. 前記アクチュエーション機構は、前記ブレードのピッチ角を調節するよう構成される、請求項11〜15のいずれか一項に記載のアクティブ制御アセンブリ。   The active control assembly according to any one of claims 11 to 15, wherein the actuation mechanism is configured to adjust a pitch angle of the blade. 請求項11〜17のいずれか一項に記載のアクティブ制御アセンブリを備える風力タービン。 A wind turbine comprising an active control assembly according to any one of claims 11 to 17 . 風力タービンの主軸受の、検出された荷重プロファイルを受け取るための受信機と、
前記荷重プロファイルを調節するための制御信号を決定するためのプロセッサと、
前記主軸受の前記荷重プロファイルを動的に調節するための命令を送る送信機と、を備え、
前記検出された荷重プロファイルは、前記主軸受のまわりにおける推定された連続的な荷重プロファイルであり、前記推定は前記主軸受のまわりの複数個所において検出された歪みに基づいており、
前記荷重プロファイルを調節することは、前記風力タービンのロータによって加えられる力に加えて、少なくとも1つのピストンを用いて前記主軸受に力を加えることを含む、コンピュータ装置。
A receiver for receiving the detected load profile of the main bearing of the wind turbine;
A processor for determining a control signal for adjusting the load profile;
A transmitter for sending commands to dynamically adjust the load profile of the main bearing;
The detected load profile is a continuous load profile estimated around the main bearing, the estimation is based on strain detected at multiple locations around the main bearing ,
Adjusting the load profile includes applying a force to the main bearing using at least one piston in addition to a force applied by a rotor of the wind turbine .
過渡的でないコンピュータ可読符号を含むコンピュータプログラムであって、前記コンピュータ可読符号は、コンピュータ装置上で実行される時に、前記コンピュータ装置を請求項19に記載のコンピュータ装置として動作させる、コンピュータ可読符号を含むコンピュータプログラム。 20. A computer program including non-transitory computer readable code, wherein the computer readable code, when executed on a computer device, causes the computer device to operate as the computer device of claim 19. Computer program. 過渡的でないコンピュータ可読媒体と、請求項20に記載のコンピュータプログラムとを備えるコンピュータプログラム製品であって、前記コンピュータプログラムは前記過渡的でないコンピュータ可読媒体に記憶される、コンピュータプログラム製品。 21. A computer program product comprising a non-transient computer readable medium and the computer program of claim 20 , wherein the computer program is stored on the non-transient computer readable medium.
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